精密轴承机加工数字化车间的制作方法

1.本发明属于制造数字化车间技术领域，具体涉及一种精密轴承机加工数字化车间。


背景技术：

2.随着大数据、物联网、云计算等新一代信息技术的推动，全球新一轮工业革命来袭。(国家智能制造标准体系建设指南(2018年版)[j].机械工业标准化与质量,2018(12):7-14.)轴承制造属于传统离散型装备制造业，由于是离散加工，物料加工需要调度，产品的质量和生产效率较大程度依赖于人工的水平，自动化水平局部受限。另外，制造装备一般来自不同的厂商，搭载不同控制系统。异构设备之间信息的类型、格式和语义方面的差异对设备间的数据交换和通信造成障碍，并产生“信息孤岛”。(数字化车间信息模型及其建模与标准化[j].清华大学学报(自然科学版),2017,57(2):128-133,140.)基于互联互通互操作技术的数字化车间对精密轴承生产能力的提升具有重要意义，不仅可实现生产信息交互，而且通过对生产、质量、设备的管理信息集成使整个生产过程数字化，有利用统筹全局、降低能耗、提高生产质量，实现高效生产。


技术实现要素：

[0003]
本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种精密轴承机加工数字化车间，通过信息共享技术和智能分析技术，满足轴承制造的智能化需求。
[0004]
本发明采用的技术方案是：
[0005]
一种精密轴承机加工数字化车间，由执行层、控制层和基础层构成系统架构，其中：所述的基础层包括制造设备和生产资源；所述控制层包括生产线运行控制系统和信息采集系统；所述执行层为mes系统；所述控制层分别与基础层和执行层进行数据交互。
[0006]
对于基础层的生产资源，建立轴承信息模型与实例数据库，包括二维码形式的id标识模块、表示轴承材料信息的材料属性模块、轴承加工过程信息的过程属性模块、确定轴承在加工过程中的位置信息的流转/位置标识模块、用来确定轴承加工过程中相关联得到设备信息的关联属性模块。
[0007]
所述的轴承信息模型与实例数据库中，还包括生产工艺信息模块，该模块描述轴承的生产管理信息，以轴承的几何信息、物理信息管理信息和装配工艺信息作为实例；进一步还包括检验与质量信息模块，该模块描述轴承的质量管理信息，以质量检验计划信息、质量检验执行信息和质量检验记录信息作为实例。
[0008]
控制层的信息采集系统获取每台制造设备及生产资源的信息模型，所述信息模型包含静态属性、配置属性、过程属性以及关联属性信息；所述生产资源的信息模型包括生产资源标识系统、以及储存生产资源信息的数据库。
[0009]
根据获取的每台制造设备及生产资源的信息模型，得到车间制造过程中需要交互全部信息的数据字典系统，所述全部信息包括生产过程信息、生产资料信息、管理信息；其
中，生产过程信息包括工件信息、生产计划调度、检验与质量、物流与仓储信息；所述数据字典系统用于规范数字化车间的数据采集与集成中所涉及的异构数据的互通。
[0010]
执行层的mes系统管控车间制造过程中需要交互全部信息的数据字典系统，并建立信息集成系统，信息集成系统从生产管理、质量管理、设备管理方面规范精密轴承机加工数字化车间的信息；所述集成系统包括mes、mcs、wms、agvs、dnc、scada之间的集成接口。
[0011]
采用上述技术方案的本发明，具有以下有益效果：
[0012]
1、本发明为精磨、超精磨等为主要制造过程的精密轴承机加工数字化车间建设提供指导，保证了数字化车间在基础层、控制层、执行层的互联互通，提高精密轴承制造的智能化水平；
[0013]
2、为轴承制造设备及生产资源在信息系统中的集成提供信息模型。根据制造设备及生产资源的数据字典，按照信息模型的集成规范，可以解决不同制造商设备相互不容的问题，同时，为信息系统中质量管理、质量追溯提供充分的信息，提高产品质量和系统集成的效率；
[0014]
3、为精密轴承机加工数字化车间的信息系统建设提供参考依据，建设制造轴承所需的内圈、外圈的标准化质量管理和追溯流程，提升企业的生产效率和管理水平。
附图说明
[0015]
图1为本发明中的精密轴承机加工数字化车间系统架构。
[0016]
图2为本发明中的mes系统主要功能模块图。
[0017]
图3为本发明中的mes、mcs、wms、agvs、dnc软件关系架构图。
[0018]
图4为本发明中轴承信息模型图。
[0019]
图5为本发明的数控机床及机器人精密轴承加数字化车间装备信息模型树。
[0020]
图6为本发明的轴承数字化车间数字化加工设备信息模型树。
[0021]
图7为本发明的轴承数字化车间数字化仓储物流设备的信息模型树。
[0022]
图8为本发明的轴承数字化车间数字化自动检测设备信息模型树。
具体实施方式
[0023]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0024]
如图1至图4所示，精密轴承机加工数字化车间，由执行层、控制层和基础层构成系统架构，其中：所述的基础层包括制造设备和生产资源；所述控制层包括生产线运行控制系统和信息采集系统；所述执行层为mes系统；所述控制层分别与基础层和执行层进行数据交互。
[0025]
具体来说，基础层中，精密轴承机加工的制造设备包括自动上料机、机器人系统、自动料理机、数控轴承内圈沟道磨床、轴承内圈沟道机外检测机、数控轴承内圈外圆磨床、轴承内圈内径机外检测机、数控轴承内圈内圆磨床、数控轴承外圈沟道磨床、轴承外圈沟道机外检测机、数控轴承外圈内径(斜坡)磨床、高精度数控沟道超精机、退磁清洗机、扫码识别设备、智能立体仓库和agv小车。生产资源包括轴承内圈、轴承外圈、刀具、磨具、夹具。
[0026]
对于基础层的生产资源，建立轴承信息模型与实例数据库，包括二维码形式的id
标识模块、表示轴承材料信息的材料属性模块、轴承加工过程信息的过程属性模块、确定轴承在加工过程中的位置信息的流转/位置标识模块、用来确定轴承加工过程中相关联得到设备信息的关联属性模块。上述的轴承信息模型与实例数据库中，还包括生产工艺信息模块，该模块描述轴承的生产管理信息，以轴承的几何信息、物理信息管理信息和装配工艺信息作为实例；进一步还包括检验与质量信息模块，该模块描述轴承的质量管理信息，以质量检验计划信息、质量检验执行信息和质量检验记录信息作为实例。
[0027]
型号属性中的轴承类型依据《gb/t 272-2017滚动轴承代号方法》，加工属性中的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度依据《gb/t 307.1-2017滚动轴承向心轴承产品几何技术规范(gps)和公差值》、《gb/t 307.2-2005滚动轴承测量和检验的原则及方法》，对于残磁检测要求依据《jb/t 6641-2017滚动轴承残磁及其评定方法》。
[0028]
进一步地，id标识模块采用二维码形式，其内容包含供应商代码、可追溯性标识和流水号，该id标识打印在轴承端面。
[0029]
进一步地，所述的轴承过程属性模块包括型号属性、加工属性和品质属性。型号属性包含轴承类型、轴承等级、轴承公称直径、尺寸公差理论值、形位公差理论值和表面粗糙度要求；加工属性包含尺寸公差检测、形位公差检测、表面粗糙度和残磁检测；品质属性包含一次合格、可返修、一次报废、返修合格和返修报废。
[0030]
进一步地，所述的位置信息的流转/位置标识模块与设备标识对应，确定轴承在加工过程中的位置。
[0031]
进一步地，所述的关联属性模块采用时间戳，采用年月日时分秒来具体标识。
[0032]
进一步地，所述的生产工艺信息模块中的几何信息用于采集轴承的外形、尺寸、位置等信息；物理信息用于采集轴承的材料、重量等信息；管理信息用于采集轴承的相关图纸、技术文档、版本等信息；装配工艺信息用于采集轴承装配的次序、方法等信息。
[0033]
所述的检验与质量信息模块中的质量检验计划信息以生产计划为基础，根据工艺路线情况在相应工序制定质量检验要求；质量检验执行信息根据实际生产情况，采集质量检验的执行情况信息，如完成速度、检验耗时等信息；质量检验记录信息包含订单号、检验顶单、检验人、检验时间、检验指标与要求和检验结果等信息。
[0034]
整个轴承信息模型中，数据类型分为字符型、有量数值型、无量数值型、时间型四类数据对象。
[0035]
字符型：一般指描述性、文本性参数，如轴承类型、检验与质量属性等。需要定义名称、默认值、值列表。
[0036]
有量数值型：一般指有量纲的参数，如轴承公称直径、表面粗糙度要求等。需要定义单位、小数点位数、默认值、值列表。
[0037]
无量数值型：一般指无量纲的参数，如产线码、流水号等，无关测量的参数。需要定义默认值、值列表。
[0038]
时间型：一般指带日期、时间的参数，如时间戳，出厂日期等，需要定义名称、时间精度。
[0039]
如图5所示，控制层的信息采集系统获取每台制造设备及生产资源的信息模型，上述信息模型包含静态属性、配置属性、过程属性以及关联属性信息。静态属性集中各信息参数均为设备出厂时即已确定的参数，需要手动输入或者由生产厂家提供，这些信息参数在
设备的使用寿命中一般都不会发生变化；配置属性集中各信息参数均为设备入厂后使用方为其配置的参数，需要手动输入，这些信息参数在设备的加工过程中不会发生变化；过程属性集中各信息元素为设备加工过程中产生或影响设备加工过程的参数，这些信息参数从设备上采集且一般随时间变化；关联属性集中的时间戳信息由管理系统给出。
[0040]
如图6所示，轴承数字化车间数字化加工设备的过程属性集包括机床加工信息、工艺参数信息、装备状态信息、故障报警及信息、砂轮管理信息、能耗数据等。
[0041]
轴承数字化车间数字化加工设备的机床加工信息是指机床加工相关的信息，如加工产品型号、加工时间、加工产量、有料信号、料满信号等。精密轴承机加工数字化车间里的数控加工设备的机床加工信息都如表1所示。
[0042][0043]
表1
[0044]
轴承数字化车间数字化加工设备的工艺参数信息是指机加工过程中与工艺相关的参数信息，如进给量、进给速度等。如表2所示。
[0045]
[0046]
[0047][0048]
表2
[0049]
轴承数字化车间数字化加工设备的设备状态信息是指加工设备的工作状态相关
信息，如开关机状态、运行状态等，如表3所示。
[0050][0051]
表3
[0052]
轴承数字化车间数字化加工设备的故障报警及信息是指加工设备处于报警状态时，与报警相关的信息，如报警代码、报警内容等，如表4所示。
[0053]
信息名称数据类型描述建模规则报警代码int64设备处于报警状态时的相关信息必须报警内容string设备报警输出为编号或代码必须持续时间int64设备报警所持续的时间可选频次int64设备报警的频率可选
[0054]
表4
[0055]
轴承数字化车间数字化加工设备的砂轮管理信息是指加工设备所用砂轮相关信息，如砂轮的型号、使用寿命等，如表5所示。
[0056]
[0057][0058]
表5
[0059]
轴承数字化车间数字化加工设备的能耗数据是指加工设备机加工过程中的能源消耗相关数据，如耗电量、机床用气量等，如表6所示。
[0060]
信息名称数据类型描述建模规则机床耗电量int64机床运行所消耗的电量可选机床用气量int64机床气动部件消耗气体体积可选
[0061]
表6
[0062]
设备的关联属性集即为时间戳和批次戳。时间戳是所有信息元素的公共属性，也
就是说所有的信息元素必须具有时间戳属性。时间以管理系统时间为准，为该设备提供一个参考时间，如表7所示。
[0063]
信息名称数据类型描述建模规则本地时间int64管理系统的本地时间必须工件批次int64加工工件所属批次必须
[0064]
表7
[0065]
上述生产资源的信息模型包括生产资源标识系统、以及储存生产资源信息的数据库。根据获取的每台制造设备及生产资源的信息模型，得到车间制造过程中需要交互全部信息的数据字典系统，所述全部信息包括生产过程信息、生产资料信息、管理信息；其中，生产过程信息包括工件信息、生产计划调度、检验与质量、物流与仓储信息。所述数据字典系统用于规范数字化车间的数据采集与集成中所涉及的异构数据的互通。
[0066]
执行层的mes系统管控车间制造过程中需要交互全部信息的数据字典系统，并建立信息集成系统，信息集成系统从生产管理、质量管理、设备管理方面规范精密轴承机加工数字化车间的信息。所述集成系统包括mes、mcs、wms、agvs、dnc、scada之间的集成接口。
[0067]
1、精密轴承机加工数字化车间的系统架构：
[0068]
本发明提出精密轴承机加工数字化车间的系统架构方法，提出车间的数字化要求、互联互通要求、可视化要求和安全要求，保证数字化车间在基础层、控制层和执行层的互联互通。对生产管理、质量管理、设备管理信息进行集成，实现精密轴承机加工车间的智能化生产。
[0069]
以单件轴承套圈沟道加工工序为例，其现场资源层(基础层)包括上下料机器人、扫码识别设备、轴承套圈专用磨床、轴承套圈沟道机外检测机。套圈到达上料位置后上下料机器人抓取工件到扫码设备，扫码识别工件id，由传送带传送到轴承套圈专用磨床进行加工，然后由轴承套圈沟道机外检测机进行检测，接着传送带将套圈送至下一工序。
[0070]
精密轴承机加工数字化车间的执行层从管理层接收月度生产计划，并向控制层发出轴承精加工的生产指令及工艺文件；与此同时，从控制层接收生产现场的实时生产进度、生产资源、质量和设备信息等数据，对实时数据进行及时的加工和处理，并向管理层系统反馈生产计划的执行结果，实现精密轴承数字化车间生产计划、质量、设备、工艺和物流的数字化有效管理和制造过程监控。
[0071]
2、工艺文件的数字化：
[0072]
建立工艺知识库，包括工艺相关规范，专家知识库等。提供电子化的轴承生产工艺文件，并可下达到生产现场指导生产。
[0073]
3、制造设备的数字化
[0074]
数控磨床、退磁清洗机、数控超精机、上下料机器人、检测设备、打码设备、agv小车等制造设备的数字化要求包括：具备完善的档案信息，包括编号、描述、模型及参数的数字化描述；具备通信接口，能够与其他设备、装置以及控制层实现信息互通；能接收控制层下达的活动定义信息，包括为了满足轴承生产运行活动的参数定义和操作指令等；能向控制层提供制造的活动反馈信息，包括轴承的加工信息、设备的状态信息及故障信息等；具备一定的可视化能力和人机交互能力，能在车间现场显示设备的实时信息及满足操作的授权和处理相关的人机交互。
[0075]
4、生产资源的数字化
[0076]
精密轴承数字化车间的生产资源主要指轴承的内外圈、刀具、夹具以及磨具等，生产资源的数字化要求包括：在条码及电子标签等编码技术的基础上满足生产资源的可识别性，包括生产资源的编号、参数及使用对象等的属性定义；上述信息应采用自动或者半自动方式进行读取,并自动上传到相应设备或者执行层，便于生产过程的控制与信息追溯；识别信息可具备一定的可扩展性，如利用rfid进行设备及控制层的数据写入。
[0077]
5、信息管理的数字化
[0078]
精密轴承数字化车间在信息管理层面应能实现生产调度、工艺执行管理、质量管理、数字化仓储物流管理以及车间轴承加工设备管理等要求。数字化车间信息管理数字化应满足以下基本要求：能与数据中心进行信息的双向交换；具有信息集成模型，通过对所有相关信息进行集成，实现自决策；轴承生产各模块间能进行数据直接调用；各模块集成系统(车间物流系统、轴承加工生产系统等)能与企业其他管理系统(如erp等)实现信息双向交互。
[0079]
6、互联互通要求
[0080]
精密轴承数字化车间装备互联互通即通过现场总线、工业以太网和无线通信等技术建立精密轴承数字化车间互联互通网络，通过网关实现不同厂商、不同功能、不同接口的设备之间的数据传输，使用xml、json或者数据中间件实现异构数据的互通。在此基础上以工件作为媒介，以时间作为关联属性，建立起工件与装备、装备与装备、装备与系统、系统和系统、人与装备、人与系统之间互联互通的数字化信息关联。
[0081]
保持信息流的通畅性。信息能够顺畅地从一个信息系统流向另一个信息系统，如在数据采集系统与mes之间轴承加工过程信息流通畅；
[0082]
保证信息的一致性。同一个信息对象在不同系统中的一致性，信息对象一旦变更，应实时反映到相关的系统中；
[0083]
保证异构平台的互操作性。基于不同的开发平台开发的软件系统，如采用不同的数据库管理系统、操作系统、开发语言等，这些系统需要在同一个应用环境下执行，且需要交换信息、相互调用，要求提供异构平台下的互操作能力。
[0084]
7、可视化要求
[0085]
可视化对设备层的具体要求包括各生产设备(磨床、数控超精机或对应的生产线)能显示设备本身的状态信息以及工件的加工状态信息。另外物流仓储系统要能显示agv的位置，加工原材料及成品的数量信息。
[0086]
可视化要求采集层能根据采集层上的相关信息，显示加工的工艺信息、轴承的成品率以及工艺精度控制相关要求。
[0087]
执行层的可视化主要指数字化车间的执行管理系统能实时显示工厂整体的加工状态、订单信息和工作任务的完成状态等。
[0088]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。